PROGRESÍVNE TECHNOLÓGIE PRE PRODUKCIU TUHÝCH BIOPALÍV

Transkript

1 PROGRESÍVNE TECHNOLÓGIE PRE PRODUKCIU TUHÝCH BIOPALÍV prof. Ing. Ľubomír Šooš, PhD. Ing. Miloš Matúš Ing. Peter Križan, PhD. Ústav výrobných systémov, environmentálnej techniky a manažmentu kvality, Strojnícka fakulta STU v Bratislave, Nám. slobody 17, Bratislava, tel.: , fax: , lubomir.soos@stuba.sk ; milos.matus@stuba.sk ; peter.krizan@stuba.sk 1. ÚVOD Výroba ušľachtilých biopalív je vhodnou cestou ako energeticky efektívne zhodnotiť biomasu a ďalší energetický odpad. Palivo v 21. storočí musí okrem energetických, environmentálnych a ekonomických kritérií spĺňať aj kritérium vysokého komfortu a bezpečnosti pri jeho spaľovaní. Moderný energonosič musí mať rovnomernú veľkosť frakcie, hustotu, vlhkosť a vhodný tvar. Technológiami transformujúcimi biomasu do biopalív s požadovanými vlastnosťami sú technológie zhutňovania. Ústav výrobných systémov, environmentálnej techniky a manažmentu kvality sa už niekoľko rokov venuje materiálovému a energetickému zhodnocovaniu biomasy. V predchádzajúcich rokoch sme pozornosť zamerali na vývoj strojov určených na úpravu a briketovanie biomasy. Na ústave sme vyvinuli modulový drviaci stroj DZ 240, bubnový rotačný triedič TR 2000, modulový dopravný a skladovací systém. V poslednom čase, v súlade s celosvetovým trendom, venujeme zvýšenú pozornosť technológiám zhutňovania. Dôkazom toho je na ústave vyvinutý a komerčne úspešný mechanický briketovací lis BZ Z prebiehajúcich výskumných aktivít sú významné hlavne skúšky nového konštrukčného princípu peletovacieho stroja, vývoj multitechnologickej konštrukcie zhutňovacieho stroja, lisovania suroviny so zvýšenou vlhkosťou, či vývoj zhutňovacieho stroja novej generácie, produktom ktorého bude úplne nový tvar výlisku. Narastajúci význam energetického zhodnocovania biomasy môžeme dokumentovať aj zvyšujúcim sa záujmom zahraničných odberateľov o ušľachtilé biopalivá (brikety, pelety), ako aj rastúcim záujmom slovenskej podnikateľskej sféry o ich produkciu. Často dostávame otázku, ktorá technológia je výhodnejšia, briketovanie alebo peletovanie? Podať jednoznačnú odpoveď na túto otázku je veľmi ťažké, prakticky nemožné. Výber technológie je závislý od finančných zdrojov, množstva, druhu a kvality spracovávanej suroviny, od dodávateľsko - odberateľských vzťahov, atď. Pre konkrétneho záujemcu preto robíme expertný posudok zameraný na výber technológie a ekonomiku budúcej výroby. Cieľom predkladaného príspevku je čiastočne popísať výskumné aktivity v oblasti zhutňovacích strojov realizované na Ústave výrobných systémov, environmentálnej techniky a manažmentu kvality Strojníckej fakulty STU v Bratislave.

2 d 2. VÝSKUM KONŠTRUKCIÍ ZHUTŇOVACÍCH STROJOV Vývoj konštrukcií môžeme rozdeliť na vývoj jednotlivých konštrukčných uzlov a vývoj strojov ako konštrukčných celkov. 2.1 KĽUKOVÝ BRIKETOVACÍ LIS BZ Briketovací lis BZ je mechanický briketovací lis s otvorenou lisovacou komorou, obr. 1. Lis je poháňaný cez elektromotor, remenicu a zotrvačník. Transformáciu rotačného pohybu na priamočiary zabezpečuje kľukový mechanizmus. Nastroj valcový piest vykonáva priamočiary vratný pohyb. Materiál do lisovacej komory dopravuje podávacia závitovka. Z lisu vychádza nekonečný valec zlisovaného materiálu, ktorý je po vychladnutí v chladiacom kanáli delený na brikety požadovanej dĺžky. Výhodou lisu je jednoduchá a spoľahlivá konštrukcia stroja. Priemer vyrábanej brikety je milimetrov, celkový príkon lisu je 17,5 kw a hodinový výkon lisu je kilogramov brikiet. Do dnešného dňa bolo vyrobených viac ako 60 kusov a okrem Slovenska boli exportované aj do Českej republiky, Estónska, Maďarska a Rakúska. Lis vyrábala Konštrukta Industry Trenčín a v súčasnosti pripravujeme jeho výrobu vo Vurale v Žiline. a) konštrukcia lisu b) reálny pohľad Obr. 1 Briketovací lis BZ DVOJKOMOROVÝ BRIKETOVACÍ LIS BZ V spolupráci s firmou Vural Žilina je pripravená výroba dvojkomorového briketovacieho lisu na verziu BZ , obr. 2. Výhodou nového riešenia bude nižší príkon stroja na jednotku produkcie. Hodinový výkon stroja sa zdvojnásobí, príkon lisu však nie je dvojnásobný. Výrobné náklady na lis by sa pritom znížili, pretože až 83 % dielov nezávisí od priemeru vyrábaných brikiet a počtu lisovacích komôr. Simulácia zaťaženia skrine kľukového mechanizmu dvojkomorového lisu je znázornená na obrázku 3.

3 a) dva jednokomorové lisy BL b) dvojkomorový lis BL Obr. 2 Briketovací lis a) modelovanie síl b) priebeh napätia Obr. 3 Simulácia zaťaženia skrine dvojkomorového lisu 2.3 MODULOVÁ STAVBA BRIKETOVACIEHO LISU Konečným cieľom tejto úlohy je rozpracovať existujúcu konštrukciu briketovacieho lisu na modulovú stavbu s rôznymi priemermi produkovaných brikiet alebo peliet, v jedno alebo dvojkomorovom prevedení. Podľa požiadaviek zákazníka tak dokážeme navrhnúť stroj šitý na mieru tak z pohľadu druhu spracovaného materiálu, priemeru vyrábaných výliskov, ako aj z hľadiska požadovaného výkonu. Pre optimalizáciu návrhu bol vypracovaný aplikačný software Modullis. Software obsahuje aj analytickú časť obsahujúcu matematické modely pre dimenzovanie a kontrolu jednotlivých častí lisu. Kombinatorika návrhu umožňuje rýchly výber vhodných súčiastok podľa zvoleného prevedenia lisu (jednokomorové a dvojkomorové), priemeru vyrábaných brikiet (ø 50, 55, 60, 65, 70 mm), či peliet (ø 6, 8, 10, 12, 16, 20, 24 mm). Výhodou navrhovanej modulovej stavby je, že súčiastky sa vyrábajú nezávisle od konečnej montáže, čím výroba výrazne zlacnie. Jednotlivé súčiastky, ako aj celý stroj, sú verifikované pevnostne podľa požadovaného priemeru výliskov a druhu spracovaného materiálu. Výstupom optimalizácie je výber konečného súboru súčiastok pre montáž, a garantovaný výkon stroja pre zhutňovanie zadaného materiálu.

4 Univerzálne súčiastky Krížiak Ojnica Originálne súčiastky Jednokomorový lis BZ Dvojkomorový lis BZ Kľukový mechanizmus Kľukový hriadeľ Vyvažovacie kotúče Obr. 4 Výber súčiastok pre modulárnu koncepciu lisu

5 2.4 DÝCHACIA BRIKETOVACIA HUBICA Všetky doteraz analyzované technológie zhutňovania umožňujú zhutňovať len materiál s nižšou relatívnou vlhkosťou ako je 18 %. Sušenie je pritom energeticky a investične veľmi náročné. Tento problém možno riešiť dvomi spôsobmi. Prvým spôsobom je náhrada technológie sušenia novou energeticky menej náročnou technológiou. Jedná sa o technológie odstreďovania, tlakové, odvodňovanie, chemické, a ich vzájomné kombinácie. Druhou cestou je zvládnutie technologického procesu zhutňovania pri vyššej hodnote relatívnej vlhkosti, ako je hraničná (18 %). Pre tento účel bola na Ústave výrobných systémov, environmentálnej techniky a manažmentu kvality SjF STU v Bratislave vyvinutá tzv. dýchacia lisovacia hubica, ktorá umožňuje odvod vody z lisovacej hubice. Takto možno dosiahnuť kvalitný výlisok aj pri relatívnej vlhkosti vstupnej suroviny 25%. Obr. 5 Výkres dýchacej hubice, 1- teleso hubice, 2- lisovacie segmenty Na uvedenej hubici sme briketovali drevný odpad so vstupnou vlhkosťou až 22 %, pričom výlisok vykazoval dostatočnú kvalitu. Relatívna vlhkosť w r je definovaná pomerom hmotnosti vody, k celkovej hmotnosti lisovanej suroviny. Voda je v dôsledku vysokého tlaku v procese lisovania v kvapalnom stave. Pri výstupe brikety z lisovacej komory poklesne tlak a voda sa mení na paru, uniká z brikety, pričom ju trhá. Podstatou myšlienky je umožniť únik pary priamo z lisovacej komory pri spätnom pohybe piesta a poklese tlaku. Úprava piesta, prípadne hubice navŕtaním dier nebola úspešná, pretože došlo k ich rýchlemu upchaniu. Podstatou navrhnutej hubice je, že vytvorená para môže uniknúť cez štrbiny medzi jednotlivými lisovacími segmentmi. Pri spätnom pohybe a poklese tlaku sa štrbiny úplne uzavrú.

6 2.5 PELETOVACIA HUBICA Originálnym výsledkom výskumu konštrukcie briketovacieho lisu je multitechnologická konštrukcia lisovacej hubice zhutňovacieho stroja. Našou snahou je, aby sme mohli jednoduchou výmenou lisovacej hubice na briketovacom lise vyrábať aj pelety. Princíp zmeny je zrejmý z obrázku 6. Vložením peletovacích vložiek dosiahneme požadovaný priemer produkovaných peliet. V súčasnosti máme vyrobenú a odskúšanú špeciálnu peletovaciu vložku na briketovací lis BZ Overovacie funkčné skúšky sme vykonali na slame a dreve vo firme OPS v Lehote pod Vtáčnikom. Pozitívny výsledok rozšíril využitie už existujúceho briketovacieho lisu aj na ekonomickú výrobu peliet. Príklad štvordierovej vložky s priemerom peliet 20 milimetrov je zrejmý z obr. 7. briketovacia hubica peletovacia vložka 7 otvorov; Ø 10 mm 12 otvorov; Ø 10 mm 16 otvorov; Ø 8 mm 17 otvorov; Ø 8 mm Obr. 6 Briketovací lis BL s možnosťou výmeny briketovacej hubice za peletovaciu Obr. 7 Peletovacia hubica briketovacieho lisu

7 2.6 ZÁVITOVKOVÝ BRIKETOVACÍ LIS U bežných jednostranných závitovkových lisov je nepopierateľný fakt extrémne vysokého axiálneho zaťaženia ložísk závitovky a samotné vysoké opotrebenie závitovky. Závitovkové lisy majú celý rad výhod (kontinuálne vytláčanie brikety, vysoký stupeň zhutnenia), pre ktoré je dobré zaoberať sa ich ďalším vývojom. V roku 2005 bola na ústave vypracovaná prvá štúdia závitovkového briketovacieho lisu so zrkadlovou konštrukciou usporiadania závitovky, (obr. 8). Projekt je stále v štádiu riešenia. Je reálny predpoklad, že pri zrkadlovej konštrukcii usporiadania závitovky dosiahneme elimináciu vysokého zaťaženia ložísk závitovky. Kľúčom k úspechu riešenia celého problému závitovkových lisov je riešenie extrémneho opotrebovania pracovnej závitovky lisu. Z uvedeného dôvodu kladieme zvláštny dôraz na materiálovú, konštrukčnú a rozmerovú optimalizáciu pracovnej závitovky. a) ideové riešenie b) konštrukcia lisu Obr. 8 Koncepcia protibežnej konštrukcie závitovkového briketovacieho lisu. Výskum v tejto oblasti orientujeme na optimalizáciu rozmeru závitovky, na hľadanie vhodného materiálu, či povrchovej úpravy alebo na možnosť návrhu skladanej konštrukcie závitovky (obr. 9), pri ktorej počítame s jednoduchou výmenou rýchlo sa opotrebovateľnej časti. a) priebeh deformácií b) skladaná konštrukcia Obr. 9 Rekonštrukcia závitovky peletovacieho lisu

8 2.7 GUĽOVÝ PELETOVACÍ LIS Malé a stredne veľké zhutňovacie stroje by bolo možné nasadiť v stolárskych a drevospracujúcich podnikoch rádovo v desiatkach a stovkách kusov. Tým by si viaceré firmy súčasne riešili problém s odpadom a vykurovaním. Kritická je vysoká cena klasických peletovacích strojov. Jedným z možných riešení cenovo dostupnej konštrukcie peletovacieho stroja je lis s axiálno-rotačnými valcami (obr. 10) vyvinutý na Ústave výrobných systémov, environmentálnej techniky a manažmentu kvality SjF. Toto zariadenie produkuje 25 až 40 kilogramov peliet za hodinu s príkonom 1100 wattov. Je reálny predpoklad, že stroj vo väčšom prevedení bude mať dostatočný výkon a bude cenovo prijateľný. Základom pre návrh nového konštrukčného princípu peletovacieho stroja bola analýza tlakových pomerov medzi matricou a nástrojom. Optimálnym tvarom z pohľadu maximálneho tlaku pri konštantnej sile je guľový tvar lisovacieho nástroja a rovinná matrica. Pri takýchto tvaroch plôch nastáva v ideálnom pomere dotyk v bode. Z toho vyplývajú aj požiadavky na minimálny príkon zariadenia. Vhodným spôsobom ako možno dosiahnuť odvaľovanie gule po ploche pri súčasnom zabezpečení princípu vťahovania je princíp kardanovej spojky. a) rez konštrukciou b) 3D model c) celkový pohľad b) pohľad - lisovacia matrica c) lisovanie slamy+mdf Obr. 10 Peletovací lis s axiálno rotačnými valcami, 1 násypka, 2 dodávaný materiál, 3 lisovacia matrica, 4 lisovacia komora, 5 guľa, 6 pravý unášač, 7 ľavý unášač, 8 odvod peliet, 9 lisovací kotúč

9 2.8 NOVÁ KONCEPCIA ZHUTŇOVACIEHO STROJA, NOVÝ TVAR VÝLISKOV Optimálny výlisok chceme vyrábať technológiou podobnou kompaktovaniu. Originalitou navrhnutého riešenia je, že sme vyriešili fázu výdrže výlisku pod vysokým tlakom so súčasným chladením (obr. 12). a) schéma b) prítlačný segment c) 3D model d) prítlačný segment e) modulové riešenie navrhovaného zhutňovacieho stroja Obr. 11 Prstencoý lis, 1 lisovací prstenec, 2 vylamovač, 3 kalibrovací segment, 4 vnútorný lisovací kotúč, 5 plniaci otvor, 6 nosné kladky, 7 pastorok

10 Sme presvedčený, že peleta nie je tvarovo a rozmerovo konečným riešením moderného energonosiča. Toto presvedčenie vyplýva z vysokých nárokov na kvalitu vstupnej suroviny a z vysokého opotrebovania lisovacích matríc pri výrobe peliet. Valec nie je optimálnym tvarom ani z hľadiska automatizovanej dopravy paliva. Preto sme na základe výskumu dospeli k novému tvaru výlisku tvaru prieniku dvoch valcov - optimálnemu z rôznych hľadísk (obr. 12). Obr. 12 Optimálny tvar výlisku Základnými časťami patentovo chránenej konštrukcie zhutňovacieho stroja je princíp lisovacieho prstenca, kotúča a kalibračných segmentov. Prstenec má po vonkajšom obvode vyrobené ozubenie, pomocou ktorého je poháňaný. Pohon prstenca je cez pastorok uložený v spodnej časti stroja. Lisovaná zmes je plnená podávacou závitovkou do priestoru medzi lisovací prstenec a vnútorný lisovací kotúč. K lisovaniu dochádza v mieste najmenšej vzdialenosti valcov, kde pôsobí extrémny lisovací tlak. Po odľahčení lisovacieho tlaku sa výlisok dostáva pod kalibračný segment, ktorý zamedzuje jeho expanzii a zabezpečuje jeho pomalé chladnutie. Na konci kalibračného segmentu sú hotové výlisky oddeľované od prstenca a sú odvádzané samospádom z priestoru lisu. Poďakovanie: Príspevok vznikol za podpory projektu s názvom Vývoj progressívnej technológie zhutňovania biomasy a výroba prototypov a vysokoproduktívnych nástrojov (ITMS kód projektu: ) spolufinancovaného z Európskeho fondu regionálneho rozvoja. Použitá literatúra [1] Projekt vedy a výskumu číslo: 2003 SP C 04. Technológia výroby a zariadenie na výrobu modifikovaného energonosiča. Bratislava December 2003, 84 s. Zodpovedný riešiteľ: ŠOOŠ, Ľ. [2] Grman, M.: Nová konštrukcia peletovacieho stroja. [Diplomová práca] Katedra výrobnej techniky SjF STU v Bratislave, 2001, 68 s. [3] Riegel, T.: Dvojkomorový briketovací lis [Diplomová práca] Katedra výrobnej techniky SjF STU v Bratislave, 2003, 62 s. [4] Matúš, M. Nizkoenergetický zhutňovací stroj. Písomná práca k dizertačnej skúške. ÚSETM SjF STU v Bratislave, [5] World Sustainable Energy Days. [Zborník prednášok] Wels, Horné Rakousko, , 572 s. [6] Šooš, Ľ. Multitechnologická hubica briketovacieho lisu. Patentová prihláška PP Banská Bystrica , 8 s. [7] Šooš, Ľ.: Vývoj a výskum nových konštrukcií peletovacích strojov. In.: [Časopis] ZB Haus Technik, XII. ročník, Roč.12, č. 4/2004, ISSN X, s